Qual è la relazione tra fisica delle particelle e cosmologia?
Esiste una relazione intima tra i campi della fisica delle particelle e della cosmologia, che è stata esemplificata da una lunga serie di fisici che lavorano contemporaneamente in entrambi: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne e molti altri. La cosmologia è lo studio dell'universo e della sua struttura, mentre la fisica delle particelle è lo studio di particelle fondamentali come quark e fotoni, i più piccoli oggetti conosciuti. Sebbene all'inizio possano sembrare sconnesse come qualsiasi cosa possa essere, la cosmologia e la fisica delle particelle sono in realtà strettamente collegate.
A differenza dei sistemi complessi sulla Terra, che sono descritti in gran parte usando spiegazioni di livello più elevato piuttosto che proprietà che emergono dai livelli più bassi, i fenomeni intergalattici e cosmologici sono relativamente più semplici. Ad esempio, nelle vaste distanze dello spazio, solo una delle quattro forze della natura ha un'influenza reale: la gravità. Sebbene le stelle e le galassie siano molto lontane e molte volte più grandi di noi, abbiamo un quadro straordinariamente accurato di come funzionano, derivato dalle leggi fisiche fondamentali che dirigono le loro particelle costituenti.
Il dominio della cosmologia più strettamente connesso alla fisica delle particelle è lo studio del Big Bang, la gigantesca esplosione che ha creato tutta la materia nell'universo e lo spaziotempo di cui è composto l'universo stesso. Il Big Bang è iniziato come un punto di densità quasi infinita e volume zero: una singolarità. Quindi, si espanse rapidamente fino alle dimensioni di un nucleo atomico, che è dove entra in gioco la fisica delle particelle. Per capire in che modo i primi momenti del Big Bang hanno influenzato l'universo com'è oggi, dobbiamo usare ciò che sappiamo della fisica delle particelle per creare plausibili modelli cosmologici.
Una delle motivazioni per creare acceleratori di particelle sempre più potenti è quella di condurre esperimenti che simulino le circostanze fisiche il più presto possibile nella storia dell'universo, quando tutto era molto compatto e caldo. I cosmologi devono avere una buona conoscenza della fisica delle particelle per poter dare un contributo significativo al campo.
Un'altra chiave per comprendere il rapporto tra fisica delle particelle e cosmologia è guardare allo studio dei buchi neri. Le proprietà fisiche dei buchi neri sono rilevanti per il futuro a lungo termine del cosmo. I buchi neri sono stelle crollate con una gravità così immensa che nemmeno la luce può sfuggire alla loro presa. Per un po 'si pensava che i buchi neri non emettessero radiazioni e sarebbero stati eterni, un paradosso per i fisici. Ma Stephen Hawking teorizzò, sulla base delle intuizioni della fisica delle particelle, che i buchi neri effettivamente emettono radiazioni, che in seguito fu soprannominata radiazione Hawking.
La fisica delle particelle è anche molto rilevante nelle indagini sulla materia oscura, materia invisibile la cui esistenza è nota per la sua influenza gravitazionale sulla materia visibile e l'energia oscura, una forza misteriosa che pervade l'universo e fa accelerare la sua espansione. Queste sono domande centrali nella cosmologia moderna.